無線電波透視技術在探測瓦斯異常中的應用

王洪盤

(1.河南能源化工集團研究院有限公司，河南省鄭州市，450046；2.河南省低滲突出煤層煤與瓦斯共采工程技術研究中心，河南省鄭州市，450046)

瓦斯災害作為煤礦五大災害之首，對于煤礦安全生產有著嚴重的威脅，如何有效預測突出危險區已成為目前的研究重點。隨著近年來的快速發展，無線電波透視技術在煤礦中應用日益廣泛，尤其是在地質構造及水文地質研究中應用效果較為理想，目前無線透視技術又逐漸應用于瓦斯預測中。河南焦煤能源有限公司演馬莊礦地質與水文條件復雜，煤與瓦斯突出災害嚴重，因此如何有效準確地預測煤層突出危險區是演馬莊礦瓦斯治理工作中急需解決的問題。

通過探測采煤工作面中的隱伏瓦斯地質異常區域，對整個工作面的瓦斯地質異常做整體分析評價，結合工作面的各瓦斯參數和鉆孔及驗證情況資料，總結電磁波透視異常與瓦斯地質異常之間的相關性，為利用電磁波透視異常預測瓦斯地質異常提供試驗依據和基礎，也能更好地科學指導生產，確保工作面安全回采。

1 工作面地質概況

27131下段工作面介于二七下段采區中部的27131下段回風巷與27131下段運輸巷之間，北部為27131回風巷和井田邊界，南部為27131下段運輸巷，東部為井田邊界，西部為27131回風巷。

27131下段工作面開采二1煤層，煤層埋深257.1～287.1 m，平均煤層厚度為4.07 m，煤層傾角7°～13°，平均傾角11°。二1煤層結構簡單，以粉煤為主，中下部夾有塊炭，局部含有薄層夾矸及炭質泥巖偽頂。

27131運輸巷在斷層F147附近鉆孔測定瓦斯含量為3.18 m3/t，工作面中部接近切眼的3個鉆孔測定瓦斯含量為14.88 m3/t、16.45 m3/t和15.98 m3/t，27131下段切眼原始瓦斯含量13.27 m3/t。根據F147斷層的開放性分析，對于F147斷層的下盤煤層來說，在距斷層附近的煤層瓦斯大量解吸，使煤層瓦斯含量急劇下降而成為低壓區，無煤與瓦斯突出危險。工作面中部接近切眼處，煤層瓦斯含量大于《防止煤與瓦斯突出規定》突出臨界值8 m3/t，也大于焦作礦區始突瓦斯含量13 m3/t，因而27131下段工作面存在煤與瓦斯突出危險。

27131下段工作面瓦斯含量較大，在回采之前不僅僅要布設鉆孔進行鉆探，還要布置瓦斯抽采孔進行工作面內部的瓦斯抽采工作。鉆孔布置需盡量均勻，這樣對無線電波的透視工作產生的干擾較小。

2 無線電波透視基本原理

無線電波透視是用來探測順煤層兩煤巷、兩鉆孔或煤巷與鉆孔之間的各種地質構造異常體。發射機與接收機分別位于不同巷道或鉆孔中，一側發射、一側接收。

煤層中斷裂構造的界面、構造引起的煤層破碎帶、煤層破壞軟分層帶以及富含水低電阻帶等都能對電磁波產生折射、反射和吸收，造成電磁波能量的損耗。如果發射源發射的電磁波穿越煤層過程中，存在斷層、陷落柱、富含水帶、頂板垮塌和富集水的采空區、沖刷帶、煤層產狀變化帶、煤層厚度變化和煤層破壞軟分層帶等地質異常體時，接收到的電磁波能量就會明顯減弱，這就會形成透視陰影(異常區)，如圖1所示。

井下探測方法有同步法和定點法兩種方式。同步法是發射天線和接收天線分別位于不同巷道中，同時等距離移動，逐點發射和接收，較少采用。定點法是發射機相對固定于某巷道事先確定好的發射點位置上，接收機在相鄰巷道一定范圍內逐點沿巷道探測場強值。無線電波透視定點法發射與接收范圍如圖2所示。

圖1 無線電波透視原理示意圖

圖2 無線電波透視定點法發射與接收范圍示意圖

3 井下探測工作

3.1 探測儀器和探測頻率

本次探測工作采用中煤科工集團重慶研究院有限公司研發的WKT-E型(大透距)無線電波透視儀。該儀器工作穩定，探測范圍廣、精度高，操作方便，已經在全國50多個大型企業推廣使用，是目前礦井物探儀器中比較成熟的一種物探設備。

3.2 探測方法

采用分辨率較高的定點掃描法進行探測。定點法就是發射機相對固定，接收機在另一對應巷道一定范圍內逐點接收其場強值的一種工作方法。

布置測點前須對工作面有一定了解，如工件面的位置和平面形狀、掘進中揭露的構造、煤層厚薄變化、瓦斯和含水等情況。

3.3 測點布置

本次探測接收測點間距設定為5 m，發射點間距設定為50 m，每個發射點對應21個接收測點。

27131下段工作面透視工作在27131下段運輸巷和27131下段回風巷之間進行，共布置171個接收測點，16個發射點。其中，27131下段運輸巷測點編號為0～74；27131下段回風巷測點編號為0～95，如圖3所示。點號由巷道開端標記。

圖3 27131下段工作面現場施工布置及射線分布圖

3.4 探測條件及實際探測

探測時回采工作面停電，對管路、電纜、鐵軌、開關、刮板車等金屬導體未作任何處理。

27131下段工作面實際探測情況：完成1.5 MHz和0.5 MHz兩個頻率探測，工作耗時4 h；完成了0.3 MHz頻率探測，工作進行2 h。每個發射點發射時間為3 min，接收時間為3 min，換發射點時間為2 min，每個發射點工作循環為5 min，其中27131下段運輸巷0號由于對應接收點較多，所以發射時間為5 min。

4 探測結果分析

4.1 電磁波探測數據分析與評價

本次探測儀器工作穩定，接收數據較穩定、較完整，探測數據大于背景場強(小于10 dB)10 dB以上，如表1所示。工作面內部鉆孔分布均勻，影響相對較小，巷道局部存在金屬體干擾，對探測結果有影響，但是影響較小，進行了數據保留。

表1 27131下段采集數據概況

4.2 探測成果

從本次探測工作可以看出1.5 MHz、0.5 MHz和0.3 MHz 3個頻率的無線電波透視對27131下段采煤工作面的異常區域有較好的反映，為不漏掉異常，經過計算機數據處理，把場強衰減異常取為-5 dB，圈定3處較為集中的異常區，分別編號為一號、二號和三號異常區，如圖4所示。

(1)一號異常區。27131下段回風巷測點65～95號(切眼附近150 m范圍內)，27131下段運輸巷測點40～74號之間(切眼附近170 m范圍內)，該異常對于周圍煤層而言是衰減較大的區域。該區域與27151采煤工作面的一號異常區具有一定的相似性，結合27151工作面一號異常區的分析與該工作面的地質資料，可知自停采線至切眼方向，瓦斯富集條件逐漸變好，瓦斯地質異常區逐漸發育。因此，初步推斷分析該處異常可能主要為煤層厚度與瓦斯濃度共同變化引起的電磁波衰減異常，即是瓦斯地質異常引起的無線電波異常。同時，在3個頻率的物探成果CT圖中均可發現中間存在區域A電磁波衰減較為嚴重，因此分析該處應該存在其他地質異常，根據地質資料分析可知，該處可能為煤巖夾矸薄煤層分布區，具體區域為27131下段回風巷測點77～88號(距切眼35～90 m范圍內)，27131下段運輸巷測點50～61號之間(距切眼65～120 m范圍內)。

(2)二號異常區。1.5 MHz頻率的響應比較明顯，而其他兩個頻段無明顯響應。其區域為27131下段回風巷測點42～44號(離探測開端處210～220 m，即離巷道的拐點處210～220 m范圍內)，27131下段運輸巷測點20～22號之間(離探測開端處100～110 m，即離巷道的拐點處100～110 m范圍內)，該異常場強衰減最大達到-10 dB。該區域與27151采煤工作面的二號異常區具有一定的相似性，結合巷道掘進過程中的地質資料，分析推斷可能是地層負壓引起的物探微弱異常區。

(3)三號異常區。1.5 MHz和0.5 MHz兩頻率都具有一定響應，區域分布在27131下段回風巷測點0～26號(探測開端處130 m左右，即離巷道的拐點處130 m)，27131下段運輸巷測點0～1號之間(探測開端處5 m左右，即離巷道的拐點處5 m范圍內)。一方面，煤層厚度保持在5～6 m，而瓦斯含量為3～4 m3/t，相對較低，因此不可能是煤層變化和瓦斯含量所造成；另一方面該處緊鄰F147大斷層，可能是其影響引起的場強衰減異常，但是大斷層并未從該區域延伸，因此相對于27151工作面的衰減區域稍小；同時，由于發射點與接收點的偏移較大，也不排除因此而造成異常，并具有一定的條帶性。

圖4 27131下段工作面不同頻率下無線電波透視探測CT圖

綜合分析3個頻率的異常，3個頻率識別效果總體一致，但在很多細節上具有一定的差異。對于附近的F147大斷層和中部異常的響應，三者效果迥異，從1.5 MHz的高頻到0.3 MHz的低頻，識別效果越來越弱。由于高頻無線電波波長相對較短、分辨率比較高，具有比較理想的識別能力，因而電磁波異常響應比較理想，而低頻電磁波波長較長、分辨率較差，對于該區域的響應并不理想，此外不排除由于發射點和接收點偏移較大的原因造成的干擾。對于切眼附近的異常區域，三者也均可很好的識別，尤其是高頻的1.5 MHz由于波長短、分辨率高，電磁波響應更為理想，這依舊能夠說明高頻的識別分辨能力相對較好一些。

4.3 瓦斯地質異常探測

通過3個不同頻段的無線電波透視工作可見，在切眼附近無線電波存在一定程度的衰減，形成電磁波衰減異常區，該區域無斷層揭露，煤層厚度變薄、瓦斯濃度變小，可見電磁波信號對于瓦斯地質異常區具有一定的響應。瓦斯富集條件自停采線處到切眼越來越好，瓦斯地質條件逐漸復雜，濃度逐漸變高，電磁波也呈現出衰減越來越強的趨勢，因此無線電波透視異常與瓦斯地質異常兩者間具有明顯的正相關性。同時，根據3個頻率的不同響應，可知0.5 MHz頻率的分辨率要優于0.3 MHz的，而1.5 MHz的效果要優于0.5 MHz的，即高頻信息對于瓦斯地質異常具有更好的分辨能力，但也更易受外界人文環境影響干擾。

5 回采驗證及應用情況

截至目前，演馬莊礦已經回采完27131下段工作面，根據回采情況，可知工作面的探測分析結果與實際地質情況的一致性。

(1)一號異常區。采前分析該處為瓦斯地質異常區，并且考慮煤層變薄、存在強衰減區，推斷強衰減區為煤巖夾矸區域。在回采過程中，該處煤層的瓦斯濃度較大，同時煤層變薄、在衰減較強區域存在煤巖夾矸現象，瓦斯地質條件復雜、異常，與采前的分析結果一致。

(2)二號異常區。采前分析該處可能是地層負壓引起的物探微弱異常區。在回采過程中，并未發現明顯的地質異常，考慮可能是在回采過程中煤層負壓逐漸釋放的因素。

(3)三號異常區。該處異常區并未回采，工作面停采線在該區域右側，但F147大斷層的影響較為明顯，可以明確是斷層結構引起的物探異常。

6 小結

(1)使用WKT-E型無線電波透視儀，利用定點掃描無線電波透視法，采用1.5 MHZ、0.5 MHz和0.3 MHz 3個頻率完成了27131下段工作面的無線電波透視工作，能夠有效探測識別采煤工作面內的已知的斷層等地質異常帶和瓦斯富集異常區等隱伏地質異常。

(2)共探測出3處異常區。27131下段采煤工作面一號異常區可能是瓦斯地質異常區，其中中間衰減較強的區域可能為煤巖夾矸薄煤層；二號異常區可能是地層負壓引起的物探微弱異常區域；三號異常區應該是受附近F147大斷層影響的異常區。27131下段工作面經過回采都得到了進一步的驗證，與采前的分析結論基本一致。

(3)無線電波透視工作的3個頻率識別效果有所差異，1.5 MHz分辨率較高，0.5 MHz其次，0.3 MHz分辨率較低。雖然高頻的透射能力相對較弱，易受干擾，但依舊能夠穿透本次探測的3個工作面，因此高頻的1.5 MHz是本次探測的首選頻段。

(4)電磁波異常區域反應的斷層異常和瓦斯地質異常嚴重威脅安全生產。由于演馬莊煤礦井田地質構造情況十分復雜，建議對異常區域打鉆驗證，同時做好安全防范工作，保障礦井安全生產。同時，加強瓦斯地質觀察，采取必要的安全保障措施，保證煤礦安全生產。